Разработка сложно-функционального блока датчика Холла
Разработка сложно-функционального блока датчика Холла
Аннотация
Представлены основные этапы и результаты разработки сложно-функционального блока (СФ-блока) интегрального датчика Холла с расширенными функциональными возможностями. Отличительной чертой разработанного СФ-блока является наличие блоков подстройки параметров, позволяющих корректировать температурную нестабильность (подстройка температурного коэффициента) и начальное напряжение смещения (подстройка тока смещения) чувствительного элемента. Такой подход направлен на повышение точности и воспроизводимости результатов измерений магнитного поля в условиях изменяющихся температур. Маршрут проектирования ориентирован на использование отечественной КМОП технологии с топологическими нормами 250 нм. С целью валидации проектных решений разработан тестовый кристалл, интегрирующий в себе СФ-блок и интерфейс ввода-вывода. Приведены данные о конструкции тестового кристалла, позволяющего провести полный цикл контрольных измерений и подтвердить заложенные при проектировании параметры.
1. Введение
Современное проектирование интегральных схем требует поиска методов сокращения проектного цикла при сохранении качества разрабатываемых решений. Одним из таких методов является разработка библиотек сложно-функциональных блоков (СФ-блоков) — заранее спроектированных и верифицированных модулей, готовых к интеграции в системы на кристалле. Использование СФ-блоков позволяет существенно снизить время разработки, уменьшить количество итераций и совокупную стоимость создания конечного изделия.
Особую актуальность данный подход имеет для аналоговых чувствительных схем, параметры которых зависят от множества внешних факторов. К таким схемам относятся интегральные датчики Холла, широко применяемые в автомобильной и промышленной электронике для регистрации магнитных полей и измерения токов в силовых цепях. Анализ современных публикаций показывает, что основными факторами, снижающими точность датчиков Холла, являются ошибки смещения, шум, влияние внешних полей и, в особенности, температурный дрейф выходного сигнала
.Для смещения чувствительного элемента датчика Холла применяются два основных подхода. В режиме напряжения температурный дрейф чувствительности достигает 0,3 %/°C, что требует применения дополнительных схем компенсации. Режим токового смещения обеспечивает значительно меньший дрейф — порядка 0,05 %/°C
. Вместе с тем выбор абсолютной величины тока смещения представляет собой компромисс: его увеличение повышает чувствительность датчика, но одновременно приводит к росту потребляемой мощности . Таким образом, ключевой задачей при проектировании СФ-блока датчика Холла является обеспечение минимального температурного дрейфа при сохранении возможности гибкой настройки тока смещения.В настоящей работе предложена архитектура СФ-блока интегрального датчика Холла, решающая обе обозначенные проблемы. Температурная стабильность достигается за счёт схемы подстройки на переключаемых резистивных звеньях, позволяющей варьировать наклон температурной характеристики от положительного до отрицательного значения и тем самым минимизировать дрейф в диапазоне от –60 °C до +125 °C. Гибкость по току обеспечивается отдельным узлом настройки абсолютного значения тока смещения, что позволяет адаптировать соотношение чувствительности и потребления к требованиям конкретного применения.
Актуальность работы обусловлена растущей потребностью отечественной микроэлектронной промышленности в верифицированных аналоговых IP-блоках для КМОП-технологий, а также отсутствием в открытом доступе готовых и гибких решений СФ-блоков датчиков Холла с встроенными механизмами калибровки температурного дрейфа и тока смещения.
Целью настоящей работы является разработка сложно-функционального блока интегрального датчика Холла с гибкой архитектурой, обеспечивающей возможность настройки температурного дрейфа выходного тока ниже уровня 0,05 %/°C и регулировки абсолютного значения тока смещения чувствительного элемента в зависимости от требований конкретного применения.
2. Архитектура
Для обеспечения корректной и высокоточной работы датчика Холла критически важным параметром является стабильный ток его смещения. Именно величина и стабильность этого тока определяют чувствительность преобразователя, уровень шумов и линейность выходного сигнала
. Формирование такого точного тока невозможно без применения надежного источника опорного напряжения, независящего от напряжения питания и температуры. Однако сам источник опорного напряжения может не выйти на рабочий режим при включении питания без специальной схемы «старта». Схема запуска гарантирует корректный переход в устойчивое состояние, доопределяя его. На основе сгенерированного опорного напряжения далее формируется эталонный ток, который запускает магнитный датчик.Для компенсации температурного дрейфа и технологических разбросов в блок включены два корректирующих узла: блок подстройки температурного коэффициента напряжения и блок подстройки уровня тока. Корректировочные блоки позволяют индивидуально откалибровать устройство после изготовления и, тем самым, обеспечить требуемую точность.
Архитектура схемы датчика Холла
3. Описание внутренних блоков
Общая архитектура сложно-функционального блока определяет иерархическую последовательность формирования напряжений и токов в системе, а также механизмы их корректировки для обеспечения стабильности.
Для детального анализа устройства, включающего построение электрических схем и их моделирование, использовались инструменты среды проектирования Cadence Virtuoso. Схема верхнего уровня представлена на рисунке 2.
Схема верхнего уровня
Несмотря на относительно простую схемотехническую реализацию, представленную на рисунке 3, внутренний источник питания выполняет критически важную функцию в составе схемы, снижая зависимость формируемого тока от внешнего напряжения питания
. Так как изменение токов может повлиять на режимы работы других блоков в составе схемы, появляется необходимость снизить данную зависимость.
Схема внутреннего источника питания
Зависимость выходного тока от напряжения питания
Формирование температурно-стабильного опорного напряжения является важной задачей при проектировании аналоговых и аналого-цифровых систем. В составе сложно-функционального блока датчика Холла для этой цели реализован источник опорного напряжения на основе архитектуры Kuijk
. Схема представлена на рисунке 5.Данный подход основан на использовании свойств p-n переходов, обеспечивающих формирование напряжения с противоположными температурными коэффициентами. Суммирование этих компонентов позволяет получить результирующее напряжение, близкое к температурно-независимому.
Схема источника опорного напряжения
Схема подстройки
Температурная зависимость источника опорного напряжения
Несмотря на то, что источник опорного напряжения архитектуры Kuijk обладает высокой стабильностью, его корректное функционирование невозможно без вспомогательных схем, обеспечивающих надёжный запуск. При включении питания цепь может находиться в метастабильных состояниях, в которых опорное напряжение не формируется. Для исключения подобных режимов используется специальная схема старта, представленная на рисунке 8.
Схема старта
3.4. Генератор тока
Стабилизированное опорное напряжение используется для формирования эталонного тока, который далее применяется как базовый смещающий ток в цепи датчика Холла. Генератор тока реализован по принципу преобразования напряжения в ток, в основе которого лежит операционный усилитель и резистивный элемент. Структурная схема представлена на рисунке 9.
Структурная схема источника тока
Варианты настройки источника тока
Абсолютное значение тока, мкА | Код | Максимальное отклонение, мкА | Дрейф, %/С |
5081 | 1111 | 51,26 | 0,005 |
4994 | 1001 | 17,91 | 0,002 |
4862 | 0000 | -81,72 | -0,009 |
10,16 | 1111 | 102,7 | 0,005 |
9,987 | 1001 | 35,66 | 0,002 |
9,724 | 0000 | -163, 2 | -0,009 |
Как видно из таблицы 1, предложенная архитектура обеспечивает регулировку абсолютного значения тока смещения в диапазоне от ~10 мкА до ~5000 мкА, то есть на два порядка величины. При этом во всём диапазоне настройки сохраняется низкий температурный дрейф: при оптимальном коде регулировки (1001) он составляет 0,002 %/°C, что более чем на порядок ниже типового значения 0,05 %/°C для режима токового смещения. Таким образом, разработанный СФ-блок позволяет гибко адаптировать уровень тока смещения под требования конкретного применения без деградации температурной стабильности выходного сигнала.
3.5. Датчик Холла
Ключевой частью схемы является датчик магнитного поля, который преобразует внешнее магнитное поле в электрический сигнал. Ранее проведённые исследования и моделирование различных конфигураций позволили выбрать оптимальную форму магниточувствительного элемента (МЧЭ) в виде ромба
. Такая форма обладает большей чувствительностью и обеспечивает более равномерное распределение токов. Также такая геометрия удобна для топологического согласования, что улучшает симметрию выходного сигнала, способствует уменьшению смещения нуля и снижает влияние температурных и механических напряжений . Топология МЧЭ представлена на рисунке 10.
Магниточувствительный элемент
Данное конструктивное решение позволяет минимизировать систематическую погрешность, обусловленную разбалансом плеч датчика Холла. При несимметричной разводке разность сопротивлений токоведущих шин приводит к возникновению паразитного напряжения смещения на выходных клеммах, которое накладывается на полезный сигнал Холла и не может быть устранено в процессе калибровки без дополнительных схемотехнических решений
.Применение симметричной топологии шин на этапе проектирования топологии позволяет исключить геометрически обусловленный разбаланс ещё до изготовления кристалла, что снижает требования к последующей подстройке и повышает воспроизводимость характеристик датчика от образца к образцу.
4. Заключение
В работе представлен комплексный подход к проектированию сложно-функционального блока интегрального датчика Холла на основе отечественной КМОП-технологии с топологическими нормами 250 нм. Разработанная архитектура включает источник опорного напряжения на основе схемы Kuijk, внутренний источник питания, схему старта, генератор тока, блоки подстройки температурного коэффициента и тока смещения, а также оптимизированный магниточувствительный элемент ромбовидной формы.
Ключевым результатом работы является достижение температурного дрейфа на уровне 0,002 %/°C при оптимальном коде настройки для режима токового смещения. Диапазон рабочих температур составляет от –60 °C до +125 °C. Разработанный блок подстройки на переключаемых резистивных звеньях обеспечивает варьирование наклона температурной характеристики от положительного до отрицательного значения, что позволяет компенсировать технологические разбросы после изготовления кристалла. Регулировка абсолютного значения тока смещения осуществляется в диапазоне от 10 мкА до 5000 мкА, то есть на два порядка величины, при этом температурная стабильность сохраняется во всём диапазоне настройки.
Совокупность полученных результатов подтверждает, что разработанный СФ-блок обеспечивает гибкую настройку параметров под требования конкретного применения без ухудшения температурной стабильности.